1 Arduino - was ist das?

19

1.1 Arduino - etwas Hintergrund

19

1.2 Open Source: Die Lizenzen des Arduino-Projekts

20

1.3 Maker und die Arduino-Community

23

1.4 Arduino Uno Rev3 - der Standard

25

1.4.1 Ein- und Ausgangspins

26

1.4.2 Serielle Schnittstellen

28

1.4.3 Spannungsversorgung

28

1.4.4 Mikrocontroller ATmega328P

29

1.4.5 Warum eigentlich die Bezeichnung »Uno«?

29

1.5 Details zum Mikrocontroller

30

1.5.1 Mikrocontroller-Kern

31

1.5.2 Mikrocontroller-Peripherie

35

2 Arduino-Hardware

59

2.1 Die Produktfamilie Arduino

59

2.1.1 Klassische Arduino-Boards

59

2.1.2 Kompakte Arduino-Boards

67

2.1.3 Arduino-MKR-Serie

77

2.1.4 Arduino-Pro-Familie

80

2.1.5 Arduino Yún

91

2.2 Arduino-kompatible Boards

96

2.2.1 Seeeduino v4.2

97

2.2.2 LilyPad Arduino

98

2.2.3 Maduino GPRS A6

100

2.2.4 BBC micro:bit bzw. Calliope mini

101

2.2.5 SparkFun Pro nRF52840 Mini

102

2.2.6 STM32 Nucleo

104

2.2.7 Teensy 4.x

105

2.2.8 ESP8266

107

2.2.9 ESP32

110

2.2.10 M5Stack, M5StickC/M5StickC Plus, M5ATOM und M5Stamp

117

2.2.11 Raspberry Pi Pico

125

2.2.12 Seeed XIAO und Wio Terminal

132

2.2.13 Adafruit Feather und SparkFun Thing Plus

134

2.2.14 Maixduino

134

2.3 Arduino-Shields

137

2.3.1 Arduino-Standard-Shields

137

2.3.2 Arduino-MKR-Shields

142

2.4 Expansionsboards

146

2.4.1 Arduino Portenta H7

146

2.4.2 Seeeduino XIAO

146

2.4.3 Raspberry Pi Pico

147

3 Das Experimentierumfeld

151

3.1 Elektronische Bauteile

151

3.1.1 Widerstand, Kondensator und Spule

151

3.1.2 Taster, Schalter und Relais

158

3.1.3 Dioden

159

3.1.4 Transistoren und FETs als Schalter

161

3.1.5 Operationsverstärker

167

3.2 Grundlagen zur Schaltungstechnik

169

3.2.1 Ohmsches Gesetz

169

3.2.2 Kirchhoffsche Regeln

169

3.2.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

174

3.3 Breadboards und Zubehör

175

3.3.1 Breadboards

175

3.3.2 Breadboard Holder

177

3.3.3 Breadboard Power

179

3.4 Qwiic, Grove und mikroBUS Connection

180

3.4.1 Qwiic Connection

180

3.4.2 Grove-System

182

3.4.3 mikroBUS System

182

3.5 Spannungsversorgung

183

3.5.1 USB-Hub mit Schnellladeanschluss

186

3.5.2 Steckernetzteil

187

3.5.3 Labornetzgerät

188

3.5.4 Lithium-Polymer-Akku

189

3.5.5 Spannungsversorgung mit Solarzellen

193

3.5.6 Reduzierung des Strombedarfs für Batteriebetrieb

194

3.6 Messtechnik

198

3.6.1 Multimeter

198

3.6.2 Funktionsgenerator

199

3.6.3 Oszilloskop

201

3.6.4 BitScope Micro

202

3.6.5 Saleae Logic Analyzer

207

3.7 CAD-Software

208

3.7.1 Fritzing

208

3.7.2 KiCAD

211

3.7.3 EAGLE

211

3.7.4 EasyEDA Standard

211

3.7.5 Welches Tool soll ich verwenden?

212

4 Arduino-Software

215

4.1 Schritte bei der Programmerstellung

215

4.2 Die Arduino-Entwicklungsumgebung

216

4.2.1 Legacy IDE: Arduino 1.8

216

4.2.2 Die neue Arduino IDE 2

223

4.3 Die Arduino-Create-Plattform

227

4.3.1 Arduino Web Editor

228

4.3.2 Arduino IoT Cloud

230

4.3.3 Arduino Project Hub

230

4.4 Arduino Create vs. Arduino IDE

231

4.5 Programmieren in C++

232

4.5.1 Empfehlenswerte Online-Tutorials

233

4.5.2 Einführung in die Grundlagen von C++

233

4.6 Den Arduino programmieren

261

4.6.1 Programmstruktur

261

4.6.2 Arduino-Funktionen

262

4.6.3 Hello World

282

4.6.4 Arduino-Librarys

285

4.7 Arduino-Boards in Betrieb nehmen

288

4.7.1 Arduino Uno

289

4.7.2 Arduino Uno WiFi Rev2

291

4.7.3 Arduino Yún

296

4.7.4 ESP32

309

4.7.5 M5Stack bzw. M5StickC/C Plus

311

4.7.6 Teensy 4.x

315

4.7.7 Raspberry Pi Pico

318

4.8 Arduino-Debugging

321

4.8.1 Debugging mit digitalem Ausgang

321

4.8.2 printf()-Debugging

322

4.8.3 MicroDebug-Library

322

4.8.4 ArduinoTrace-Library

326

4.8.5 Arduino-Debugging mit SEGGER J-Link Debugger

328

5 Sensoren

337

5.1 Der Thermistor als Temperatursensor

337

5.2 Der Temperatursensor TMP36

340

5.3 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor DHTxx/AM23xx

344

5.4 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor Si7021

350

5.5 Der Temperatursensor DS18B20

353

5.6 Die barometrischen Drucksensoren BMP180, BMP280 und BME280

357

5.7 Der Luftqualitätssensor MQ135

362

5.8 Der Grove-Feinstaubsensor PPD42NS

368

5.9 Der Lichtstärkesensor GY-30 (BH1750FVI)

371

5.10 Der Farbsensor GY-TCS3200D

375

5.11 Ultraschall-Entfernungsmessung

381

5.12 ToF-Entfernungsmessung

386

5.13 Bewegungsdetektion mit PIR-Sensoren

389

5.14 Wetterdaten

392

6 Eingabeelemente

399

6.1 Taster und Schalter

399

6.2 Keypads

401

6.3 Joysticks

408

6.4 Drehgeber

411

6.5 Touch-Sensoren

415

6.6 Touch-Panels

416

6.7 RFID

419

6.8 NFC

429

7 Anzeigeelemente

441

7.1 LEDs und RGB-LEDs

441

7.2 Sieben-Segment-Anzeige

447

7.3 LED-Dot-Matrix-Anzeige

450

7.4 Seriell gesteuerte RGB-LEDs

454

7.4.1 NeoPixel

454

7.4.2 DotStar

459

7.4.3 NeoPixel vs. DotStar

462

7.4.4 FastLED

463

7.5 LCDs

465

7.5.1 Display mit HD44780

466

7.5.2 Grove-LCDs mit I2C

467

7.5.3 LCD Keypad Shield

470

7.5.4 Arduino-Shield mit EA DOGS102W-6 und EA PCBARDDOG1701

473

7.5.5 Nokia-5110-Grafik-LCD

478

7.6 OLED-Display

486

7.7 Touchscreen

496

7.7.1 Waveshare 2.8" Touch LCD Shield

497

7.7.2 Nextion 2.8" HMI LCD Touch Display

507

8 Aktoren

537

8.1 Relais

537

8.2 Motoren

542

8.2.1 Servo

542

8.2.2 DC-Motor

547

8.2.3 Schrittmotor

561

9 Externe Speicher

575

9.1 Internes EEPROM

575

9.2 Externes EEPROM

578

9.3 FRAM

581

10 Kommunikation

585

10.1 Serielles Interface UART, der interne Monitor

585

10.2 SPI

591

10.3 I2C-Bus

597

10.4 1-Wire-Bus

600

10.5 CAN

606

10.6 Bluetooth und BLE

614

10.6.1 Serielle Bluetooth-Module

615

10.6.2 Mikrocontroller mit BLE

616

10.7 Der Arduino im Netzwerk

628

10.7.1 Ethernet

628

10.7.2 WiFi

634

10.7.3 Die Performance testen

645

10.8 LoRa bzw. LoRaWAN

647

10.8.1 LoRa/LoRaWAN - Begriffe

648

10.8.2 LoRa-Datenübertragung

649

10.8.3 The Things Network (TTN)

655

10.8.4 LoRaWAN-Knoten

658

10.9 GSM

673

10.9.1 Module und Provider

673

10.9.2 Arduino Uno mit SIM800 EVB

675

10.9.3 Maduino GPRS A6

679

10.10 3GPP LPWAN

681

10.10.1 NB-IoT

684

10.10.2 LTE-M

705

10.11 Netzwerkverbindungen mit nRF24L01

709

10.11.1 Transceiver nRF24L01

710

10.11.2 nRF24L01-Modul

711

10.11.3 nRF24L01 mit SMA-Antenne

713

10.11.4 nRF24L01-Reichweitenmessung

713

10.11.5 Die Netzwerkknoten in der Übersicht

715

10.11.6 Initialisierung des nRF24L01

718

10.11.7 Datenübertragung zwischen zwei Sensorknoten

719

10.11.8 Datenübertragung zwischen mehreren Sensorknoten

723

11 Datenformate und Kommunikationsprotokolle

733

11.1 JSON

733

11.2 MQTT

736

11.2.1 Grundlagen

736

11.2.2 MQTT-Broker

738

11.2.3 MQTT-Client

740

13 Projektideen für den Arduino

749

13.1 Tragbare Elektronik (Wearables)

749

13.2 Überwachung des Raumklimas

752

13.2.1 Sensirion SCD30

755

13.2.2 Sensirion SGP30 und Bosch BME280

761

13.2.3 Bosch BME680

762

13.2.4 Environmental Sensor AZ-Envy

767

13.3 Open Data aus dem Internet

771

13.3.1 OpenWeatherMap

771

13.3.2 Covid-19-Datenbank

776

13.4 Pushover-Statusmeldungen

781

13.4.1 Pushover-Server

782

13.4.2 Pushover-Android-Client

783

13.4.3 Pushover-Integration ins Arduino-Programm

784

13.5 Überwachung von Pflanzen

789

13.5.1 M5Stack ENV.II und EARTH Unit

790

13.5.2 Kapazitive Bodenfeuchtesensoren

791

13.5.3 LilyGO-T-HiGrow Kit

792

13.6 Messung von radioaktiver Strahlung

794

13.6.1 Messtechnische Voraussetzungen

794

13.6.2 Auswertung der GMZ-Impulse

799

13.7 Arduino Yún

802

13.7.1 Netzwerk-Performance

802

13.7.2 Zwei Welten verbinden

803

13.7.3 Erfassen von Messdaten

805

13.8 M5StickC

812

13.8.1 M5StickC-Hats

812

13.8.2 M5StickC-Thermometer

813

13.8.3 M5StickC - Messung der Wassertemperatur

814

13.9 Kameraanwendungen

817

13.9.1 Arducam Shield V2

818

13.9.2 ArduCAM_ESP32S_UNO_PSRAM Board

822

13.9.3 M5Stack Camera

825

13.10 Maschinelles Lernen

827

13.10.1 TensorFlow Lite

828

13.10.2 Edge Impulse

828

14 Gehäuse für den Arduino

831

14.1 ArduiBox Open - Hutschienengehäuse für den Arduino

831

14.2 RasPiBox Pico für Raspberry Pi Pico

833

14.3 AZ-Touch MKR/ESP/Feather

834

14.4 ESPGateway - ESP32 WiFi/ BLE Gateway

835

15 Der Arduino in industriellen Anwendungen

839

15.1 Prototyping mit dem Arduino

839

15.2 Industrieanwendungen

840

15.2.1 Controllino

840

15.2.2 Industrial Controller

842

15.2.3 Industruino

843

Anhang

845

A.1 Arduino-Distributoren

845

A.2 Technische Daten im Vergleich

845

A.3 Spezifikation von Widerständen

850

A.3.1 Bedrahtete Widerstände

851

A.3.2 SMD-Widerstände

852